FR2957466A1

FR2957466A1 - SSPC WITH ACTIVE CURRENT LIMITATION.

Info

Publication number: FR2957466A1
Application number: FR1151758A
Authority: FR
Inventors: Gregory Rozman; Josh Swenson; Vietson Nguyen
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-09-16
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: US8390151B2; FR2957466B1; US20110221404A1

Abstract

Un module de distribution d'énergie (28) comporte une ligne d'entrée pour recevoir une énergie d'une source d'alimentation continue (22). Un commutateur ouvre de manière sélective la ligne d'entrée et bloque la fourniture d'énergie de la ligne d'entrée à une ligne de sortie à connecter à une charge continue (102). Une commande de puissance à semi-conducteurs commande une commande de grille pour le commutateur. La commande de puissance à semi-conducteurs peut être utilisée pour établir une distinction entre un mode de précharge, dans lequel un courant circule de manière importante pour alimenter un condensateur dans la charge continue en aval, et un mode de court-circuit , dans lequel un court-circuit existe.A power distribution module (28) has an input line for receiving power from a DC power source (22). A switch selectively opens the input line and blocks supply of energy from the input line to an output line to be connected to a continuous load (102). A solid state power control controls a gate drive for the switch. The semiconductor power control can be used to distinguish between a precharge mode, in which a current flows significantly to supply a capacitor in the downstream continuous load, and a short-circuit mode, in which a short circuit exists.

Description

SSPC AVEC LIMITATION DE COURANT ACTIVE SSPC WITH ACTIVE CURRENT LIMITATION

Contexte de l'invention La présente invention concerne un contrôleur de puissance à semi-conducteurs dans lequel un courant d'appel est classé et géré. Les systèmes de distribution d'énergie sont utilisés pour commander la circulation d'énergie d'une source commune, telle qu'un bus de puissance, vers une pluralité de composants. Généralement, des disjoncteurs sont inclus avec des contrôleurs pour commander la quantité d'énergie circulant du bus vers n'importe quel dispositif. Une application commune pour ces systèmes est la fourniture d'un accès à une énergie électrique pour un avion, et ses divers composants. Historiquement, des disjoncteurs électromécaniques ont été utilisés. Les disjoncteurs électromécaniques présentaient certaines insuffisances en ce qu'ils pouvaient être dégradés dans le cas de défauts d'isolement répétés. En outre, ils étaient relativement lourds et grands. Plus récemment, des contrôleurs de puissance à semi-conducteurs (SSPC) ont été utilisés pour remplacer les disjoncteurs électromécaniques. Le dispositif de commutation dans un SSPC peut dissiper une chaleur excessive à des niveaux de courant élevés dus à des résistances internes. Ainsi, les SSPC soulèvent certains problèmes. En outre, le SSPC peut être soumis à un courant d'appel élevé pendant une fermeture de canal, par exemple lors de la distribution d'énergie à un condensateur de stockage dans une charge continue en aval. Ce courant d'appel peut affecter de manière négative la qualité de l'énergie sur le bus continu. Background of the Invention The present invention relates to a semiconductor power controller in which a inrush current is classified and managed. Power distribution systems are used to control the flow of energy from a common source, such as a power bus, to a plurality of components. Generally, circuit breakers are included with controllers to control the amount of energy flowing from the bus to any device. A common application for these systems is the provision of access to electrical power for an aircraft, and its various components. Historically, electromechanical circuit breakers have been used. Electromechanical circuit breakers had some deficiencies in that they could be degraded in the case of repeated insulation faults. In addition, they were relatively heavy and tall. More recently, solid state power controllers (SSPCs) have been used to replace electromechanical circuit breakers. The switching device in an SSPC can dissipate excessive heat at high current levels due to internal resistances. Thus, the CSPS raise some problems. In addition, the SSPC may be subject to a high inrush current during a channel close, for example when distributing energy to a storage capacitor in a downstream continuous load. This inrush current can negatively affect the quality of energy on the DC bus.

Résumé de l'invention Un module de distribution d'énergie comporte une ligne d'entrée pour recevoir une énergie d'une source d'alimentation continue. Un commutateur ouvre de manière sélective la ligne d'entrée et bloque la fourniture d'énergie de la ligne d'entrée à une ligne de sortie à connecter SUMMARY OF THE INVENTION A power distribution module has an input line for receiving power from a DC power source. A switch selectively opens the input line and blocks power supply from the input line to an output line to be connected

à une charge continue. Une commande de puissance à semi-conducteurs commande une commande de grille pour le commutateur. La commande de puissance à semi-conducteurs peut être utilisée pour établir une distinction entre un mode de précharge, dans lequel un courant est appelé de manière importante pour alimenter un condensateur dans la charge continue en aval, et un mode de court-circuit, dans lequel un court-circuit existe dans le système. Ces caractéristiques et d'autres de la présente invention peuvent être mieux comprises à partir de la description et des dessins qui 10 suivent, dont une brève description est donnée ci-après. at a continuous charge. A solid state power control controls a gate drive for the switch. The semiconductor power control can be used to distinguish between a precharge mode, in which a current is importantly called to supply a capacitor in the downstream continuous load, and a short-circuit mode, in which which a short circuit exists in the system. These and other features of the present invention may be better understood from the following description and drawings, a brief description of which is given hereinafter.

Brève description des dessins La figure 1 montre une architecture de système. La figure 2 montre un module de distribution d'énergie. 15 Description détaillée du mode de réalisation préféré Une architecture de système électrique 20 telle que pouvant être utilisée dans un avion est montrée sur la figure 1. L'architecture de système 20 peut recevoir une énergie continue d'une source 20 d'alimentation continue 22. La source d'alimentation continue 22 peut être un système de turbines fournissant un courant alternatif par l'intermédiaire d'un onduleur pour délivrer une énergie continue à une barre de bus continu 26. La barre de bus continu 26 communique avec une pluralité de modules de distribution d'énergie continue 28. Des 25 charges continues 102, telles que des moteurs, etc., sont positionnées en aval des modules de distribution d'énergie continue 28. Une source d'alimentation de commande continue 24 délivre une énergie à un contrôleur d'ensemble de distribution d'énergie continue (PDA) 32, qui reçoit et envoie des signaux d'un/à un bus de communication de 30 données 30. Le bus de communication de données 30 communique avec chacun des modules de distribution d'énergie continue 28. De plus, une énergie continue peut être délivrée sur une ligne 33 de la source d'alimentation de commande continue 24 à chacun des modules de distribution d'énergie continue 28. 35 Chacun des modules de distribution d'énergie 28 peut être structuré comme montré sur la figure 2. Comme montré, une ligne de la source d'alimentation continue 22 délivre une énergie continue par Brief Description of the Drawings Figure 1 shows a system architecture. Figure 2 shows a power distribution module. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT An electrical system architecture 20 such as can be used in an aircraft is shown in FIG. 1. The system architecture 20 can receive continuous power from a DC power source 22. The continuous power source 22 may be a turbine system supplying an alternating current through an inverter for supplying continuous energy to a continuous busbar 26. The busbar 26 communicates with a plurality of Continuous power distribution modules 28. Continuous loads 102, such as motors, etc., are positioned downstream of the DC power distribution modules 28. A DC control power source 24 provides power to a continuous power distribution (PDA) controller 32, which receives and sends signals from a / to a data communication bus 30. The common bus The data communication 30 communicates with each of the DC power distribution modules 28. In addition, DC power can be delivered on a line 33 of the DC power source 24 to each of the DC power distribution modules. 28. Each of the power distribution modules 28 may be structured as shown in FIG. 2. As shown, a line of the DC power source 22 delivers a continuous energy through

l'intermédiaire d'un commutateur 60. Une commande de grille 58 ouvre et ferme le commutateur 60 en réponse aux signaux détectés. Une ligne d'entrée 51 mène au module de distribution d'énergie 28, et à travers un capteur de tension 50. Le capteur de tension 50 est destiné à garantir que la tension délivrée est dans une plage de tensions acceptables avant que le commutateur 60 ne soit fermé. A ce titre, il agit en tant qu'élément de sécurité. Un détecteur de courant 52 détecte un courant (IDC_LOAD), tandis qu'un capteur de tension 54 détecte une tension (VDC_LOAD) alimentant les charges continues 102. La sortie du capteur de tension est la ligne 53, qui mène à la charge continue 102. En outre, la ligne 33 passe à travers une alimentation interne 49, qui agit en réalité en tant que transformateur pour réduire la tension appliquée sur une ligne de sortie 133 menant à des modules de commande et à des capteurs internes dans le module de distribution d'énergie 28. Les sorties du capteur de tension 50, du détecteur de courant 52 et du capteur de tension 54 sont toutes envoyées à un contrôleur de commande de puissance à semi-conducteurs (SSPC) 62. Le contrôleur SSPC 62 peut être n'importe quel dispositif approprié qui est capable de recevoir des signaux, et de fournir des signaux de sortie à la commande de grille 58 pour commander le commutateur 60. Par exemple, le contrôleur SSPC 62 peut comprendre un ou plusieurs dispositifs logiques programmables, circuits intégrés spécifiques à une application, processeurs de signaux numériques, et/ou microcontrôleurs. Un capteur de température 56 est également prévu pour une protection contre une température connue, comme cela peut être connu dans les SSPC. Le module de distribution d'énergie continue 28 est capable d'établir une distinction entre un fonctionnement normal, un mode de précharge et un mode de court-circuit par rapport à une tension et un courant appliqués aux charges continues 102. Dans un mode de précharge, le contrôleur SSPC 62 commande l'actionnement du commutateur 60 pour permettre la fourniture graduelle d'un courant d'appel à un condensateur 100 qui peut être trouvé dans chacune des charges continues 102. Les condensateurs 100 sont montrés schématiquement sur la figure 1, comme le sont les charges continues Via a switch 60. A gate control 58 opens and closes the switch 60 in response to the detected signals. An input line 51 leads to the power distribution module 28, and through a voltage sensor 50. The voltage sensor 50 is intended to ensure that the delivered voltage is in a range of acceptable voltages before the switch 60 not be closed. As such, it acts as a security element. A current detector 52 detects a current (IDC_LOAD), while a voltage sensor 54 detects a voltage (VDC_LOAD) supplying the continuous charges 102. The output of the voltage sensor is the line 53, which leads to the continuous load 102 In addition, the line 33 passes through an internal power supply 49, which in effect acts as a transformer to reduce the voltage applied on an output line 133 leading to control modules and internal sensors in the distribution module. The outputs of the voltage sensor 50, the current detector 52, and the voltage sensor 54 are all sent to a solid state power control (SSPC) controller 62. The SSPC controller 62 may be any suitable device that is capable of receiving signals, and providing output signals to the gate drive 58 to control the switch 60. For example, the SSPC controller 62 may comprise one or programmable logic devices, application specific integrated circuits, digital signal processors, and / or microcontrollers. A temperature sensor 56 is also provided for protection against a known temperature, as can be known in SSPCs. The DC power distribution module 28 is capable of discriminating between normal operation, precharge mode and short circuit mode with respect to a voltage and current applied to the DC loads 102. precharge, the SSPC controller 62 controls the operation of the switch 60 to allow the gradual supply of a inrush current to a capacitor 100 which can be found in each of the continuous charges 102. The capacitors 100 are shown schematically in FIG. , as are the continuous loads

102. Les condensateurs 100 sont généralement chargés au démarrage initial du système. Un mode de précharge est déterminé lorsque la valeur VDC_LOAD > VTHR ; et IDC_LOAD > ITHR. 102. Capacitors 100 are typically loaded at the initial startup of the system. A precharge mode is determined when the value VDC_LOAD> VTHR; and IDC_LOAD> ITHR.

VTHR et ITHR sont une tension et un courant de seuil, respectivement, qui peuvent être déterminés comme étant indicatifs d'un mode de précharge. Dans un mode de précharge, on s'attendrait à ce que la tension et le courant soient relativement grands, et au-dessus des seuils. VTHR and ITHR are a threshold voltage and current, respectively, which can be determined to be indicative of a precharge mode. In a precharge mode, the voltage and current would be expected to be relatively large, and above the thresholds.

D'autre part, un mode de court-circuit peut être identifié lorsque VDC_LOAD < VTHR ; et IDC_LOAD > ITHR. Un court-circuit serait indicatif de cette tension et de ce courant tels que détectés à l'emplacement des capteurs 52 et 54. Un mode normal correspondrait généralement à 15 VDC_LOAD > VTHR et IDC_LOAD < ITHR. Lorsque le contrôleur SSPC 62 détecte un mode de précharge, une modulation de durée d'impulsion est utilisée pour commander l'ouverture et la fermeture du commutateur 60 en utilisant la commande de grille 58, avec un rapport cyclique variable croissant 20 jusqu'à ce que VDC_LOAD atteigne une valeur prédéterminée. A ce point, le commutateur 60 peut être complètement fermé. De cette manière, le courant d'appel est limité alors que le condensateur 100 est chargé dans le temps sans le passage du grand pic de courant en tant qu'impact immédiat dans le système.On the other hand, a short-circuit mode can be identified when VDC_LOAD <VTHR; and IDC_LOAD> ITHR. A short circuit would be indicative of this voltage and current as sensed at the location of sensors 52 and 54. A normal mode would generally be VDC_LOAD> VTHR and IDC_LOAD <ITHR. When the SSPC controller 62 detects a precharge mode, a pulse duration modulation is used to control the opening and closing of the switch 60 using the gate control 58, with a variable duty cycle increasing until that VDC_LOAD reaches a predetermined value. At this point, the switch 60 can be completely closed. In this way, the inrush current is limited while the capacitor 100 is charged in time without the passage of the large current peak as an immediate impact in the system.

25 Dans le mode de court-circuit, le contrôleur SSPC 62 permet une commande par modulation de durée d'impulsion du commutateur 60 avec un rapport cyclique sensible à la valeur de limitation de courant de sorte que IDC_LOAD soit maintenu à peu près égal à une valeur de limitation (IDC_LIMIT). De nouveau, la valeur pour IDC_LIMIT peut être 30 sélectionnée pour être appropriée pour le système particulier. Après un intervalle de temps prédéterminé, le commutateur 60 est complètement ouvert et un état de défaut peut être annoncé. Dans des conditions de système normales, le commutateur 60 est fermé.In the short-circuit mode, the SSPC controller 62 allows pulse duration modulation control of the switch 60 with a duty-cycle responsive duty cycle so that IDC_LOAD is maintained at approximately equal to one. limiting value (IDC_LIMIT). Again, the value for IDC_LIMIT can be selected to be appropriate for the particular system. After a predetermined time interval, the switch 60 is fully open and a fault state can be announced. Under normal system conditions, the switch 60 is closed.

35 Le système décrit ci-dessus améliore la qualité de l'énergie sur le bus continu 26 à la fois dans le mode de précharge et le mode de court- circuit, tout en protégeant l'appareil d'interconnexion et ses divers composants. Bien qu'un mode de réalisation de la présente invention ait été présenté, l'homme du métier reconnaîtra que certaines modifications tomberaient dans l'étendue de la présente invention. Pour cette raison, les revendications qui suivent devraient être considérées pour déterminer la vraie étendue et contenu de la présente invention. The system described above improves the quality of power on the DC bus 26 in both the precharge mode and the short circuit mode, while protecting the interconnect apparatus and its various components. Although an embodiment of the present invention has been presented, those skilled in the art will recognize that certain modifications would fall within the scope of the present invention. For this reason, the following claims should be considered in determining the true scope and content of the present invention.

Claims

REVENDICATIONS1. A power distribution module (28) comprising: an input line (51) for receiving power from a DC power source (22); a switch (60) for selectively opening said input line and blocking power supply from said input line to an output line (133) to be connected to a DC load (102); a semiconductor power control (62) configured to control a control (58) for said switch, said semiconductor power control being operable to discriminate between a precharge mode, wherein a current flows importantly for supplying a capacitor in the continuous load, and a short-circuit mode, in which a short circuit exists.

The power distribution module of claim 1, wherein said semiconductor power control (62) has a first mode of operation when the precharge mode is detected, and a second mode of operation when the mode of operation is detected. Short circuit is detected, and a third mode of operation under normal conditions.

The power distribution module of claim 2, wherein a voltage and a current are detected between the input line (51) and the output line (133), and the combination of said sensed current and said detected voltage is used to determine which of the three modes of operation is appropriate.

The power distribution module of claim 3, wherein said detected voltage is compared with a threshold voltage, and said sensed current is compared with a threshold current for effecting said determination.

The power distribution module according to claim 4, wherein, if said detected voltage is greater than said threshold voltage, and if said detected current is greater than said current threshold, then it is determined that a first mode is appropriate. 35

The power distribution module according to claim 4 or 5, wherein, if said detected voltage is below said voltage threshold, and if said detected current is greater than said current threshold, then said second mode is determined to be appropriate.

The power distribution module according to claim 4, 5 or 6, wherein, if said detected voltage is greater than said voltage threshold and if said detected current is lower than said current threshold, then said third mode is determined operation is appropriate.

The power distribution module according to any one of claims 2 to 7, wherein said first mode of operation comprises said semiconductor power control (62) for pulse duration modulation of said switch (60). )

The power distribution module according to claim 8, wherein said pulse duration modulation operates with a variable duty cycle increasing until said detected voltage reaches a predetermined value, and then said switch (60) is completely closed.

The power distribution module according to any one of claims 2 to 9, wherein said semiconductor power controller (62) uses pulse duration modulation to control said switch (60) in said second fashion.

The power distribution module of claim 10, wherein said duty cycle pulse duty cycle is controlled based on said sensed current, and compared with a limiting value, and after a period of time. time said switch is fully open.

A power distribution module according to any one of the preceding claims, wherein a safety voltage sensor (50) is positioned upstream of said switch on said input line to ensure that a delivered voltage is in a acceptable range before said switch is closed.

A power architecture (20) comprising: a continuous power bus (26); said DC power bus communicating with a plurality of DC power distribution modules (28) according to any one of the preceding claims, and a plurality of loads (102) receiving power from said DC power distribution modules, at least some of said charges including a capacitor.

A method of implementing a power distribution module (28) comprising the steps of: (a) selectively providing a switch (60) on an input line (51) to block the supply of power energy from said input line to an output line (133) connected to a continuous load (102); and (b) detecting a current and a voltage and distinguishing between a precharge mode, in which a current flows substantially to supply a capacitor in the continuous load, and a short-circuit mode, wherein a short-circuit circuit exists, and use pulse duration modulation to control the opening of the switch (60) in said precharge mode and said short circuit mode.